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《河南理工大学》 2018年
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基于RSA的自然和人工膝关节运动测量及实验误差分析

闫池辉  
【摘要】:本文以国家自然科学基金“高屈曲人工膝关节的高屈曲稳定性机制研究(项目编号:31370999)”为支撑,进行基于RSA的运动测量方法的自然人膝关节和人工膝关节在屈曲运动过程中股骨相对胫骨的的运动特征分析。基于RSA的自然和人工膝关节运动分析基本原理:在分析前人应用RSA原理及其方法进行的研究的基础上,进行3d配准理论、实验系统标定理论以及放射透视图像校准理论的分析研究并以此为理论支撑,采用一套以RSA技术为基础的膝关节三维精准运动测量的技术方案:满足在体、无创以及负重的基本要求,结合膝关节三维重建模型、双C型臂拍摄和2d-3d配准原理,进行膝关节胫股骨关节运动测量实验。基于RSA的膝关节运动测量实验:本次实验的测试对象是自然人和膝关节假体置换后志愿者。志愿者进行CT扫描重建膝关节几何模型,在医师指导下完成下蹲、走路以及上楼梯三个动作,并将获取的透视图像进行标定、校准。基于三维膝关节几何模型分别对两台C型臂的二维图像进行配准,获得不同屈曲角度下膝关节股骨胫骨相对位置关系,最后提取膝关节股骨相对于胫骨六个自由度的数据。自然和人工膝关节分别在下蹲、上台阶和走一步路下的运动测量结果分析:根据所获得的数据分析膝关节胫股关节运动。随着膝关节的屈曲增加,自然膝关节股骨向对于胫骨外旋不断加深,在下蹲运动中,膝关节屈曲到95度时,自然膝关节股骨相对于胫骨外旋达到最大为26.5度,此后股骨相对于胫骨外旋角度逐渐减小,在膝关节屈曲过程中伴随着股骨相对于胫骨持续后移最大为19.4mm。通过自然膝关节和人工膝关节数据对比分析可知:人工膝关节与自然膝关节股骨相对于胫骨运动大体趋势一致,但是根据在下蹲过程中屈曲角度都小于100度可得出人工膝关节屈曲受限;人工膝关节较自然膝关节股骨内旋角度更大达到28.9度;人工膝关节股骨相对于胫骨的位移量较自然膝关节总体略大,此外有少数人工膝关节出现股骨前移现象。基于RSA的膝关节运动测量实验误差分析:整个实验过程中可能出现误差的地方有C型臂标定校准、图像校正、膝关节三维几何建模、膝关节局部坐标建立、实验仪器同步以及后期人工配准等人为或非人为误差。本文主要分析两台C型臂的同步误差、坐标系建立误差以及轮廓线误差:C型臂同步误差为1帧;坐标系建立误差平移方向的平均误差为2mm,旋转上的平均误差为4度;股骨轮廓线误差为2.02mm,胫骨轮廓线误差为1.89mm。
【学位授予单位】:河南理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:R68;TP391.41

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